如何提升離⼦阱數量，邁向規模化量⼦電腦之路？

Jonathan Home 表示，將離⼦阱以晶⽚的形式建構，並且以光纖陣列加以操作，相較於目前常用，由高頻率電場進行離子封閉的的保羅阱（Paul trap），能將離⼦阱規模從幾⼗顆的現有⽔準提升到數百顆以上。

我們需要⼤型量⼦電腦，因為需要「量⼦糾錯」

我們需要⼤型量⼦電腦，不僅是因為用來解決古典超級電腦指數成⻑的計算問題，更主要的原因是因為我們需要「量⼦糾錯」。舉例來說，為了改良哈伯法製氨⽽模擬植物固氮細菌的核⼼催化劑， 過程估計需要上百萬顆量⼦位元，不過其中只需要數千個邏輯量⼦位元計算，其他的量⼦位元則是⽤於「量⼦糾錯」。

量⼦糾錯的原理，主要是基於量⼦計算的錯誤和雜訊都是獨⽴發⽣無關聯的前提下，將量⼦資訊已⾮局域的⽅式儲存在系統中，然後不斷地以不破壞這個⾮局域資訊（邏輯量⼦位元）的測量⽅式檢查是否有錯誤發⽣，如果有的話就實施糾錯。

創造模組以達成規模化離⼦阱量⼦電腦

⽬前離⼦阱量⼦計算的世界紀錄是「50顆離⼦以下」，採⽤⼀個⼀維離⼦阱同時控制所有離⼦的架構，雖然精巧但已經是極限。如果我們需要有成千上萬離⼦的量⼦電腦，就必須創造模組以達成規模化。

具體來說可分為兩種⽅式：⼆維離⼦阱晶⽚（QCCD）和⽤光學創造⼀維離⼦井之間的量⼦糾纏（Photonic Links），Jonathan Home 教授在這場演講中主要著重於前者的方式。他提到，對於QCCD 架構來說，其最大的優勢是能夠平⾏操控位於晶⽚上不同區域（zone）的離⼦；但是，為了能穩定和準確地⽤雷射光操作離⼦，必須將雷射光透過光纖陣列送⼊晶⽚中蝕刻好的波導、讓雷射光透過光柵從晶⽚表⾯射出指向離⼦。相較之下，⽤free space控制雷射，雖然⾃由度⾼但是穩定度不⾜。

即使波導是奠基於現⾏的矽晶⽚製程技術，仍可能會產⽣⼤量的雷射損失。這個技術五六 年前剛開始測試時，波導只會讓0.1% 的單⼀雷射光通過，時⾄今⽇已可以讓多道不同頻率的雷射通過70%。

也許傳統方法的離子阱不是唯一解方

Jonathan Home提到，目前實驗室的QCCD系統的實驗進展中，⾼品質的量⼦糾纏邏輯閘已經可以被實現（MS gate 保真度⾼於99.3%），同時可以確認這些晶⽚上的整合光學元件誤差都是獨⽴誤差。對於未來的量⼦糾錯，沒有相關聯的誤差⾄關重要。另一方面，相較於free space雷射，波導出來的雷射光間可以維持⾮常穩定的相位資訊。

至於QCCD 路徑目前亟需要努力的方向是什麼？Jonathan Home說，若離⼦距離矽晶⽚表⾯太近，容易被熱噪⾳⼲擾。為了降低熱導率（heating rate），整個系統必須在低溫情況下運作。其次，由於離⼦在不同區域（zone）移動時需要經過⼗字路⼝（joint）轉彎，因此，⼆維運動需要準確的控制系統，以避免產⽣產⽣熱噪⾳影響量⼦計算。最後，現⾏波導和光閘在藍光和紫外線波段效率都不佳，紅光和紅外線則是技術已經成熟，因此，必須要有更好的⼯程進展來解決光學元件在短波⻑的限制。

最後，Jonathan Home提出一個完全不同的實驗思路：也許離⼦阱不⼀定要使⽤靜電場與動電場（Paul Trap）做量⼦計算，利用靜電場與靜磁場（Penning trap）可能是⼀種另闢蹊徑的巧⾨。（撰稿者：曾可維）

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